深入理解JVMJVM编译器

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

编程

前端编译器

将源代码转化成字节码，如javac；我们一般称 javac 编译器为前端编译器，因为其发生在整个编译的前期。javac编译过程大致可以分为1个准备过程和3个处理过程，它们分别如下所示。

  1. 准备过程：初始化插入式注解处理器，java是支持注解的。

  2. 解析与填充符号表过程，包括：

    a. 词法、语法分析。将源代码的字符流转变为标记集合，构造出抽象语法树。

    b. 填充符号表。产生符号地址和符号信息。

  3. 插入式注解处理器的注解处理过程：插入式注解处理器的执行阶段，本章的实战部分会设计一个插入式注解处理器来影响Javac的编译行为。

  4. 分析与字节码生成过程，包括：

    a. 标注检查。对语法的静态信息进行检查。

    b. 数据流及控制流分析。对程序动态运行过程进行检查。

    c. 解语法糖。将简化代码编写的语法糖还原为原有的形式。

    d. 字节码生成。将前面各个步骤所生成的信息转化成字节码。

JIT编译器（即时编译器）

将字节码转换成机器码，如HotSpot VM的C1和C2编译器。

当源代码转化为字节码之后，程序要运行程序，有两种选择：一种是使用 Java 解释器解释执行字节码，另一种则是使用编译器将字节码转化为本地机器代码。

  • 解释器执行：将编译好的字节码一行一行地翻译为机器码执行，程序启动速度快，但是运行速度慢；

  • 编译器执行：以方法为单位，将字节码一次性翻译为机器码后执行，程序启动速度慢，但是运行速度快。

在整个Java虚拟机执行架构里，解释器与编译器经常是相辅相成地配合工作，当虚拟机发行某个方法执行特别频繁时，就会把这些代码判定成“热点代码”，为了提高热点代码的执行效率，在运行时，虚拟机将会把这些代码编译成本地机器码，并以各种手段尽可能地进行代码优化，运行时完成这个任务的后端编译器被称为即时编译器。当执行JIT编译后的机器码出现问题时，那么虚拟机又会使用解释器来执行代码。

在 HotSpot 虚拟机内置了多个即时编译器，分别称为 Client 编译器（C1）、Server 编译器（C2）和graal编译器。

  • C1：即Client编译器，面向对启动性能有要求的客户端GUI程序，将字节码转换为机器码时只进行简单、可靠的优化，因此编译的时间较短，通过-client参数打开。

  • C2：即Server编译器，面向对性能峰值有要求的服务端程序，将字节码转换为机器码时会进行激进、复杂的优化，因此编译时间长，但是在运行过程中性能更好，通过-server参数打开。

  • graal：graal是JDK10引入的一个编译器，目的是用来替换C2编译器。

虚拟机执行模式

虚拟机有三种执行模式：混合模式（Mixed Mode）、解释模式（Interpreted Mode）和编译模式（CompiledMode），默认是混合模式。

  • 混合模式（Mixed Mode）：解释器与编译器搭配使用的方式在虚拟机中被称为“混合模式”（Mixed Mode）。

  • -Xint：指定虚拟机使用“解释模式”（Interpreted Mode），代码都使用解释方式执行；

  • -Xcomp：指定虚拟机使用“编译模式”，代码优先采用编译方式执行程序，但是当编译后的代码无法正常执行时，这时使用解释执行来兜底；

编译器优化

为了在程序启动响应速度与运行效率之间达到最佳平衡，HotSpot虚拟机在编译子系统中加入了分层编译的功能，分层编译根据编译器编译、优化的规模与耗时，划分出不同的编译层次，其中包括：

  • 第0层：程序只使用解释执行，并且解释器不开启性能监控功能（Profiling）。

  • 第1层：使用客户端编译器将字节码编译为本地代码来运行，进行简单可靠的稳定优化，不开启性能监控功能。

  • 第2层：仍然使用客户端编译器执行，仅开启方法及回边次数统计等有限的性能监控功能。

  • 第3层：仍然使用客户端编译器执行，开启全部性能监控，除了第2层的统计信息外，还会收集如分支跳转、虚方法调用版本等全部的统计信息。

  • 第4层：使用服务端编译器将字节码编译为本地代码，相比起客户端编译器，服务端编译器会启用更多编译耗时更长的优化，还会根据性能监控信息进行一些不可靠的激进优化。

以上层次并不是固定不变的，根据不同的运行参数和版本，虚拟机可以调整分层的数量。分层编译的交互关系，如下：

-XX:+TieredCompilation，开启分层编译，可以让jvm在启动时启用client编译，随着代码变热后再转为server编译。

热点探测

对于程序来说，通常只有一部分代码被经常执行，这些关键代码被称为应用的热点，执行的越多就认为是越热，将这些代码编译为本地机器特定的二进制码，可以有效提高应用性能。目前主流的热点探测判定方式有两种，分别是：

  • 基于采样的热点探测（Sample Based Hot Spot Code Detection）。采用这种方法的虚拟机会周期性地检查各个线程的调用栈顶，如果发现某个（或某些）方法经常出现在栈顶，那这个方法就是“热点方法”。基于采样的热点探测的好处是实现简单高效，还可以很容易地获取方法调用关系（将调用堆栈展开即可），缺点是很难精确地确认一个方法的热度，容易因为受到线程阻塞或别的外界因素的影响而扰乱热点探测。

  • 基于计数器的热点探测（Counter Based Hot Spot Code Detection）。采用这种方法的虚拟机会为每个方法（甚至是代码块）建立计数器，统计方法的执行次数，如果执行次数超过一定的阈值就认为它是“热点方法”。这种统计方法实现起来要麻烦一些，需要为每个方法建立并维护计数器，而且不能直接获取到方法的调用关系。但是它的统计结果相对来说更加精确严谨。

AOT编译器

将源代码直接编译成机器码，称为提前编译器（AOT编译器），如：Jaotc；

提前编译器主要的优点：

  • 提前编译器不会占用程序的运行时间和运算资源，但是及时编译器会，这也是即时编译器的最大弱点。

  • 可以作为即时编译器的缓存，改善程序的启动时间。

提前编译器主要的缺点，也是即时编译器的优点：

  • 不能进行性能分析制导优化（Profile-Guided Optimization，PGO），因为提前编译不能收集到程序的运行时监控数据，无法定位热点代码，所以不能集中优化和分配更好的资源进行制导优化。

  • 不能进行激进预测性优化，因为提前编译器编器必须保证优化后的程序一定能正常运行，所以不能进行一些激进优化。

  • 不能进行链接时优化（Link-Time Optimization，LTO），因为主程序与动态链接库的代码在它们编译时是完全独立的，两者各自编译、优化自己的代码，所以提前编译器无法进行链接时优化，但是程序运行时会将所有的Class加载到虚拟机中，所以即时编译器可以进行链接时优化。

总结

从应用启动速度来看：解释执行 > AOT 编译器 > JIT 编译器。

从应用运行速度来看： JIT 编译器> AOT 编译器 > 解释执行。

JVM虚拟为了保持程序启动时间和运行效率的平衡，一般会使用多种方式配合工作。

参考

《深入理解JAVA虚拟机》

以上是 深入理解JVMJVM编译器 的全部内容， 来源链接： utcz.com/z/514081.html

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